近日,東北大學材料科學與工程學院在高熵合金結構相變研究方面取得進展,相關研究成果以“Polytypic omega/omega-like transformation in a refractory high-entropy alloy”為題發表在Acta Materialia(Acta Mater. 2022, 238: 118207)。該研究利用東北大學分析測試中心的球差校正透射電鏡結合第一性原理計算揭示了難熔高熵合金中的omega和多型類omega相變機理。該論文的第一作者為東北大學材料科學與工程學院已畢業碩士研究生趙曉波,通訊作者為材料學院青年教師謝紅波博士和秦高梧教授。該研究主要得到了國家自然科學基金(No. 52101129)和中央高校基本科研業務費(No. N2202013)的支持。
固態相變無處不在,是現代材料科學的基礎。近年來,BCC型難熔高熵合金(Refractory high-entropy alloys)被認為在未來的高溫合金,超彈和超導領域有著廣泛的應用前景,深入理解合金微觀結構和相變機理的原子尺度細節對調控其性能至關重要。但由于高熵合金的高構型熵以及原子擴散緩慢,BCC型高熵合金體系中發生大規模的omega (ω)相變被認為是非常困難的。
在構型熵穩定的難熔BCC型TiZrNbTa模型高熵合金中,該研究運用球差電鏡證實了體系中發生了不同尋常的ω和多型的類ω相變,并最終促進了合金群落結構的形成。這些化學有序的ω和多型的類ω相由相分離產物中的BCC-2結構形核而成。第一性原理計算表明BCC晶格通過自適應的原子shuffle可以轉變為非密排的六角ω超結構,而沿a或b軸方向對(0001)ω原子層集體施加一個特定的切應變(基體約束引起的)則可使完全正交的ω超結構過渡為亞穩的非正交類ω相。TiZrNbTa合金中ω和多型的ω超結構轉變的發現表明這類相變現象可能廣泛存在于BCC型的高熵合金中,將為后續設計新型的先進難熔高熵合金提供理論指導。
另一方面,該研究還進一步增進了人們對ω相變的認識。傳統發生在IV族金屬或合金中的ω相變通常是無熱位移式、等溫擴散位移式或等溫無擴散位移式3種類型,而發生在TiZrNbTa合金中的相變不僅涉及基于原子擴散的成分分配(相分離)和位移式轉變,還包含無序-有序超結構轉變和切應變引起的原子層集體位移。此外,傳統的ω相通常為納米尺度,具有板條狀或橢球狀,且與BCC基體完全共格;但TiZrNbTa難熔高熵合金中發現的塊狀ω或類ω相為微米級的,而且與BCC基體呈半共格關系。
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標簽: 東北大學, 高熵合金, Acta Materialia
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